EVチャージャーの補助電源に関する考察

EV充電器の設置台数は飛躍的に増加中

電気自動車（EV） の普及が本格化しています。「EV-Volumes」データベース（図1）によると、2021年には世界で675万台のEVが販売され、2020年に比べ108%増加したことになります[1]。

環境意識の高まり、燃料価格の高騰、各国政府が設定したCO2削減目標など、その "原動力 "は明らかです。英国では、2022年にある法律が施行され、駐車場を備えたすべての新築住宅に充電ポイントを設置することが義務づけられる予定です。同時に、ヨーロッパのいくつかの国では、ガソリン駆動のみとディーゼル駆動のみの新車販売禁止を2040年から2035年に前倒しすることが提案されています。

公共の充電器も、より多くの機能を備えたものが急速に展開されています。例えば、ドイツでは2023年6月から、すべての新しい充電ポイントにデビットカードやクレジットカードの読み取り機能を持たせ、利用しやすくすることが義務付けられています。

したがって、充電器は、車載充電用のシンプルで低速な家庭用単相AC電源から、800V以上の超高速DC充電、ユーティリティからの三相AC充電、電力供給制御や安全機能のための複数のプロセッサとインターフェース、さらには安全なレポートと請求のための「クラウド」経由の接続まで、さまざまな複雑さに対応することができます。

EV充電器には補助電源が必要

すべてのDC充電器には、さまざまな補助電源レールが必要です。メインの数kWのパワー・コンバータは、PFCインダクタの巻線から低電力のDCレールを生成することも副次的な機能として可能ですが、いくつかの理由により賢明な方法とは言い難いです。例えば、無負荷時には、DCチャージャーのメイン・コンバータは動作効率が悪く、かなりのロスが発生します。したがって、スタンバイ時に「ハウスキーピング」電力が必要な場合は、メイン・コンバータを無効にして、低電力AC/DCコンバータから電力供給するのが最善です。低電力AC/DCコンバータは、その典型的な動作レベルで高効率になるように設計されています。さらに、独立した電源を持つことで、メイン・コンバータの起動と停止をより確実で予測可能なものにします。また、独立した低電力AC/DCコンバータを持つことで、システムの異なる部分に対して絶縁されたDCリターン・ラインを生成することができ、グラウンド・ループやEMC問題、アクセス可能なインターフェースの安全性に関する懸念を回避するのに役立ちます。もちろん、補助AC/DCコンバータに絶縁型または非絶縁型のDC/DCコンバータを接続して、必要な「ポイントオブロード」（POL）電圧を生成し、特定の規制とノイズレベルの要件を満たすことも可能です。

厳しい充電器環境

電気自動車のDC充電器に搭載される補助AC/DCおよびDC/DCコンバータは、特定の環境課題を満たさなければならず、とにかく長寿命で高信頼性が期待されています。最低でも‘「工業用グレード」’ の部品が必要ですが、例えばEN 61851-23「電気自動車コンダクティブ充電システム、DC充電ステーション」のように、満たすべき特定の規格もあります。

この規格は多くの分野をカバーし、他の多くの文書を参照していますが、具体的には、例えば、 EV充電器 への給電は過電圧カテゴリ（OVC）IIIまたはIVに適合していなければならないと規定しています。 しかし実際には、工業用グレードAC/DCコンバータ の多くが電圧過渡制限装置の後の、主電源設備用のカテゴリIIに定格されており、不適当であることを意味します。OVCは、例えば落雷によって発生する可能性のある過渡現象について、IEC 60664-1に基づく関連インパルス電圧とともに図2にまとめられています。

サージ防護デバイス （SPD）は図2（クラス B、C、D）に示されており、建物の配電系統への入力から最終機器に向かって、OVC の厳しさを軽減することができるようになっています。図示されていないクラスAのSPDは、地上のLV配電系統の一部です。クラスBは10/350μsの電流波形を特徴とするガス放電管で、事実上スパークギャップであり、クラスCは8/20μsの電流波形を特徴とし、クラスDは1.2/50μs電圧波形と8/20μs電流波形の組み合わせで特徴づけられています。

クラスC、クラスDとも一般的には金属酸化物バリスタ（MOV）であり、クラスDには必ずクラスCが先行します。MOV には寿命があり、通常の動作電圧に近づくまでサージが発生するたびにクランプ電圧が低下し、リーク電流が増加して過熱し、故障に至ります。このため、SPD として定格されている外部 MOV には通常、健全性を示す視覚的表示があり、通常 DIN レール形式になっています。また、オプションとしてリモートで健全性を表示できるものもあります。

EV充電器の設置、特に公共の場では、環境がOVC IVであれば、OVC IIIに軽減し、主電力変換器用のACレールを提供するためにSPDが設置されると予想されます。 クラスII用のSPDを備えた別のAC電源レールが利用できる保証はないので、補助の AC/DC電源 は通常クラスIIIの過渡電流に耐える必要があり、市販されているほとんどのタイプは除外されます。また、過電圧クラスに対して機器に要求される安全クリアランスと高度の関係もあります。2000mまでは補正がかかりませんが、5000mでは1.48倍と、高度が上がるにつれてクリアランスを大きくしなければなりません。このポイントは軽視されがちですが、世界にはEV充電ポイントが確実に必要となる、標高2000mを超える首都が8つもあるのです。

EV補助電源の安全規格

現行バージョンのEN 61851-23:2014では、安全規格としてEN 60950-1をまだ参照していますが、この規格は2020年末に廃止され、EN 62368-1に置き換えられています。EVアプリケーションでは通常EN62368-1への適合が要求されますが、ユーザーが要求される正確な仕様を確認する必要があります。例えば、EN 61851-1では、安全絶縁トランスはIEC 61558-1に適合することが要求されています。EN 62368-1では、いくつかの追加や制限にもかかわらずこの規格をオプションとして参照しています。したがって、すでにIEC 61558-1の認証を取得しているAC/DC電源の方が安全であると言えます。IEC/EN 60335-1の認証を受けた電源は、48Vや72Vのバッテリーを搭載したプラグインハイブリッド車やeスクーターに使用されるような最大出力120Vの充電器にも関連する可能性があります。

EV用DC充電器のAC電源電圧は、場所によって異なり、家庭用の単相AC115/230V、三相AC400V、またはAC480Vのいずれかになります。三相システムの低電力補助AC/DCコンバータは、通常、相からニュートラルに接続され、AC480Vシステムでは公称AC277Vからの動作が必要となりますが、AC480Vのデルタシステムの最大相間電圧、最大AC528Vで動作可能な低電力AC/DCもあります。

EV充電器を取り巻く物理的環境

EN 61851-23 では、EV用DC充電器の環境は屋外では汚染度 3、屋内では汚染度 2 と、最小限の汚染で規定されています（工業地帯においては同様に汚染度 3 である必要があります）。汚染度3は「導電性汚染または乾燥した非導電性汚染で、結露により導電性になることが予想されるもの」と定義されています。つまり、ガレージや屋外駐車場など周囲が湿気や汚れ、埃に覆われた環境では、誤動作や電圧降下を避けるために、電子機器はコーティングやカプセル化するか、沿面距離を大きくとる必要があるということです。

EV充電器の熱定格は、氷点下の温度や、日差しの強い屋外設置では+60度以上という厳しい環境にも対応する必要があります。しかし、AC/DC電源の「工業用グレード」の定格は、一般的に周囲温度-40℃から+85℃なので問題ないと思われます。

既製品が利用可能

EV用低電力DC充電器の要件は複雑ですが、RECOMでは多くのアプリケーションに対応する既製品のラインアップを用意しています。高汚染環境に適したRACシリーズの3W～40Wの小型カプセル封入モジュールは、AC85V～264Vの「標準」入力範囲に加え、公称AC277VでAC305VAC定格を持つ機種もあり、RAC05-K/480は最大AC528V入力に対応しています（図3）。すべてのモジュールは、-40℃から少なくとも+80℃の周囲温度に対応し、標準またはオプションでOVC III定格に対応します。これらのモジュールの安全認証は包括的なもので，IEC/EN 62368-1をはじめとして，一部の部品には家庭用のIEC/EN 61558またはEN 60335-1，場合によっては医療用のIEC/EN 60601-1を含みます。

RECOMは、メイン・インバー タのゲート駆動電源 、絶縁型通信インターフェース、絶縁型補助レール、非絶縁型POLコンバータに適したDC/DCコンバータも包括的に供給しています。これらのコンバータはすべて、使用される厳しい環境に適した堅牢性と品質を備えています。

結論

EV用DC充電は新興市場であり、特有の技術的要求があります。コストとサイズもその要因ですが、RECOMはモジュール式補助AC/DC電源だけでなく、汎用のDC/DCコンバータも適合する部品を用意しています。

参考文献

[1] https://www.ev-volumes.com/